張永杰

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009)

0 引 言

21 世紀是海洋的世紀，作為一個海洋大國，中國政府高度重視海洋的開發(fā)，我國已明確提出建設海洋強國的戰(zhàn)略目標［1］。上升流是海洋洋流的一種，當海水表層流場產生水平輻散時，海水表層以下產生沿直上升的海流，形成上升流。上升流把深水區(qū)大量的海水營養(yǎng)鹽(磷酸鹽、硝酸鹽等)帶到表層，為魚類提供了豐富的餌料，所以，上升流顯著的海區(qū)多是著名的漁場［2］。因此，研究上升流對開發(fā)海洋資源具有不可估量的價值。

目前國內外的海流觀測儀器大都是在水平方向上考察流速，而專門針對上升流的測量儀器很少［3］?；谶@種情況，前期，筆者已經設計出了一種可測上升流的三維海流傳感器裝置，該裝置以電阻應變片為敏感元件，應變片電橋輸出信號隨海流的變化而變化，只需準確測量電橋輸出信號，就能夠精確地分析海流信息［3］。

上升流的流速非常小，大約只有10-4～10-2cm/s［2］，經海流傳感器測量，上升流引起的電橋輸出電壓變化值在μV 數量級。為了精確采集海流傳感器的微弱輸出信號，在前期研究的基礎上，本文設計了一種高精度的海流傳感器信號采集系統(tǒng)。

1 方案對比與選擇

對于微弱信號的測量，常用的方法是先對信號進行預處理，再進行A/D 轉換［4］。實驗的過程中發(fā)現，減少A/D轉換前的預處理電路可以降低噪聲，也就是減少模擬電路，增加數字電路，同時考慮減少元器件數量，減少干擾源。

在研究過程中，基于上述思路先后選擇了三種方案。

1.1 采用AD7714

該調理電路的設計思路是儀表放大器和濾波電路構成信號預處理電路，處理后的信號由A/D 轉換電路進行A/D轉換。通過對實驗數據的分析發(fā)現，預處理電路引入的噪聲是主要的干擾源之一，因此，改進了該設計。

1.2 采用HX711

基于對第一種方案的分析，選擇HX711A/D 轉換芯片做進一步的實驗。HX711 是一款高精度的24 位A/D 轉換芯片，集成了差分放大器和24 位∑-Δ 型A/D 轉換器。為了進一步降低噪聲，同時還將穩(wěn)壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路集成到芯片內部，減少外圍電路元器件的數量，降低了系統(tǒng)的器件噪聲。原理如圖1 所示。

圖1 HX711 電路原理圖Fig 1 Principle diagram of HX711 circuit

實驗結果表明:系統(tǒng)的測量值與真實值之間最大偏差為54 μV?？紤]差分放大器的放大倍數為32，則系統(tǒng)能夠識別的輸入信號的精度為±0.85 μV。

1.3 采用AD7195

為進一步提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，選擇采用AD7195型A/D 轉換芯片。

與HX711 類似，AD7195 集成了低噪聲前置增益級和24 位高精度的∑-Δ 型A/D 轉換器。其內置的交流激勵模塊，可以用來消除惠更斯電橋中的感應直流失調電壓。同時AD7195 內置了數字濾波器，能夠提供50 Hz/60 Hz 噪聲抑制。該器件需要5 V 模擬電源和2.7 ～5.25 V 的數字電源為系統(tǒng)供電，工作電流為6 mA。該芯片提供32 引腳LFCSP 封裝，體積小，方便在海流傳感器系統(tǒng)中的集成。

AD7195 的交流激勵解決了直流激勵應用遇到的許多熱電偶、失調和漂移效應問題［5］。圖2 概要說明了基于AD7195 的交流激勵的工作原理。圖中R10，R11，R12，R13是由箔式應變片構成的全橋。通過將AD7195 配置寄存器中的ACX 位置1 使能交流激勵。AD7195 的激勵電壓在各相上變化，在相位1 時，通過和ACX2 來導通Q2，Q4晶體管，而此時Q1，Q3 晶體管關閉，電橋正向偏置。同理，在相位2 時，通過和ACX1 來導通Q1，Q3 晶體管，而此時Q2，Q4 晶體管關閉，電橋反向偏置。芯片復位后，交流激勵的引腳在幾毫秒內處于懸空狀態(tài)。因此和

圖2 全橋電路原理圖Fig 2 Principle diagram of full-bridge circuit

利用交流激勵，即使用MOSFET 來切換海流傳感器的激勵電壓極性，電橋的激勵電壓反轉，同時基準電壓和模擬輸入信號也反轉，AD7195 取前后兩次的轉換結果，計算其平均值，從而消除失調和熱影響。

PGA(programmable gain amplifier)模塊的存在保證了小幅值信號可以直接輸入AD7195 芯片，該信號在芯片內部被放大的同時，仍然能夠保持出色的噪聲性能。通過配置寄存器中的G0 位至G2 位，可以將AD7195 的增益設置為1，8，16，32，64，128。因此，當采用2.5 V 外部基準電壓時，單極性電壓輸入范圍為0 ～2.5 V 至0 ～19.53 mV;雙極性電壓輸入范圍則為±2.5 ～±19.53 mV?？紤]到海流傳感器的輸出信號，合理利用A/D 轉換器的量程，設置AD7195 前置差分放大器的放大倍數為32 倍。

通過靈活地設計和配置AD7195 芯片內部的數字濾波器，可以取得良好的濾波效果。芯片提供4 個濾波器選項，可以采用sinc3或sinc4濾波器工作，可以使能或禁用斬波，也可使能零延遲。通過對濾波器的不同配置，可以得到滿足設計需要的輸出數據速率，數據建立時間和50 Hz/60 Hz噪聲抑制性能。為滿足海流傳感器的測量要求，采用sinc4濾波器，禁用斬波，使能零延遲，并將寄存器FS［9:0］設置為960，此時數據的輸出速率為50Hz，數據的建立時間為80 ms，對50 Hz 的噪聲抑制為120 dB。

2 電路設計

采用交流激勵和比率測量技術設計了全橋電路，如圖2所示。所謂比率測量就是A/D 芯片的參考源電壓和激勵源電壓由同一電源芯片所提供［6］。利用傳感器的輸出信號與激勵電壓呈正比這一原理，比率測量技術克服了參考源和激勵源電壓性能對調理電路精度的影響。

經對比，電源轉換芯片選擇Analog Devices 公司的ADP3303 芯片。ADP3303 屬于ADP330x 系列精密低壓差穩(wěn)壓器，采用新穎的架構、改良的工藝和全新封裝，ADI 公司的新型專用散熱增強型封裝可以在處理1 W 以下功耗時，無需外部散熱器，印刷電路板上也無需大面積敷銅［7］，這樣印制電路板面積可保持最小，可為設計節(jié)省空間。

為了將AD7195 模擬部分與數字部分之間的耦合降至最低，在電路設計時使模擬電源和數字電源彼此獨立，各有單獨的引腳排列。數字濾波器可抑制電源上的寬帶噪聲，但無法抑制那些頻率為調制器采樣頻率整數倍的噪聲［8］。因此，將一個R-C 濾波器與各模擬輸入引腳相連，可以在該頻率提供抑制。

3 實驗與數據處理

為驗證該實驗電路能夠滿足μV 級電壓信號的測量要求，設計了如圖3 所示的實驗裝置。選用箔式應變片，4 只應變片對稱布置在鈦合金薄片的兩面，并且構成全橋電路。通過數字千分尺對鈦合金薄片的邊緣施加位移量，進而產生應變，輸出差分電壓信號。

圖3 實驗裝置Fig 3 Experimental device

可測上升流的海流傳感器系統(tǒng)，在保證其對微弱信號檢測能力的同時，也需要能夠穩(wěn)定地輸出轉換結果，為后續(xù)處理提供準確的數據。準確度是指測定結果與真實值之間的接近程度，測量的準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。在實驗室條件下，采集一段時間的數據，最后對采集的數據進行整理和分析，評價系統(tǒng)的準確度。表1、表2 和表3 分別為上午8，9，10 時施加200 μm 位移時所測電壓值。

表1 第一次測量數據Tab 1 Datas of the first measurement

表2 第二次測量數據Tab 2 Datas of the second measurement

表3 第三次測量數據Tab 3 Datas of the third measurement

統(tǒng)計多次測量，結果表明:測量值的標準差小于0.2，精度滿足要求。同時，每組測量值穩(wěn)定在μV 級，最大峰峰值出現在表3 的第5 組為0.8009 μV，即系統(tǒng)的測量值與真實值之間最大偏差為0.8009 μV，該系統(tǒng)能夠識別的輸入信號的誤差為±0.4 μV。

4 結 論

本文設計了以AD7195 為核心的海流傳感器系統(tǒng)，通過合理使用交流激勵、可編程增益以及數字濾波器，完成對μV 級微弱信號的檢測，并通過實驗驗證能夠識別輸入信號的誤差為±0.4μV，滿足設計要求。

［1］ 劉賜貴.關于建設海洋強國的若干思考［J］.海洋開發(fā)與管理，2012(12):8-10.

［2］ 苗 馨，胡建宇.用沿岸上升流指數分析中國東南沿岸風生上升流的特征［J］.海洋通報，2011，30(3):258-259.

［3］ 劉恒魁，魏昌理.海流觀測在水運工程中的應用［J］.水運工程，2006(6):9-10.

［4］ 閆書江，唐 飛，王曉浩，等.用于FAIMS 系統(tǒng)的微電流檢測電路［J］.電子測量與儀器學報，2011，25(8):711-714.

［5］ 李匡成，曾凡果，胡旭杰，等.基于TMS320F2808 的蓄電池性能檢測激勵源設計［J］.電測與儀表，2011(5):68-71.

［6］ 張建永，岳 偉，賈云濤.一種數字表檢定標準電阻的方法［J］.電子測量技術，2013，36(5):41-44.

［7］ 周 靜，彭琰舉，常 鵬，等.基于Zig Bee 的壓力傳感器標定系統(tǒng)的研究［J］.電子設計工程，2013，20(11):61-63.

［8］ 付大麗，黨幼云.數字濾波器在語音信號處理中的應用［J］.電聲技術，2012，36(8):62-65.